(57)【要約】【課題】ミラー基板の剛性の変化を最適化して、動的な撓みを低減し、ミラー基板の慣性を低減して偏向角を大きくする。【解決手段】ミラー基板３の裏側に、階段状の複数の領域６を配置する。曲げモーメントが最大になる点を含む領域の曲げ剛性が最大になるように、曲げ剛性を配置する。また、ミラー基板３の各領域での動的な撓み量が概略等しくなるように、各領域の断面２次モーメントを設定する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光ビームを、梁をねじり回転軸として往復振動させて偏向するミラー基板を有する偏向ミラーにおいて、前記ミラー基板は、回転軸からミラー基板の端部に至る各部位で、曲げ剛性が異なる複数の領域を有することを特徴とする偏向ミラー。
【請求項２】
前記回転軸からミラー基板の端部に至る中間の領域で、曲げ剛性を最大にすることを特徴とする請求項１記載の偏向ミラー。
【請求項３】
前記ミラー基板の裏側に複数の凹部を形成することにより、曲げ剛性を異ならせることを特徴とする請求項１記載の偏向ミラー。
【請求項４】
前記ミラー基板の厚さを可変にすることにより、曲げ剛性を異ならせることを特徴とする請求項１記載の偏向ミラー。
【請求項５】
前記ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントが最大となる位置を含む領域の曲げ剛性を最大にすることを特徴とする請求項２記載の偏向ミラー。
【請求項６】
前記ミラー基板の各領域の断面２次モーメントと、前記各領域の曲げモーメントとの比は略一定であることを特徴とする請求項１記載の偏向ミラー。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の偏向ミラーを備え、前記偏向ミラーに外力を作用させて、前記偏向ミラーを捻り回転軸を中心として往復振動させる外力発生手段を備えていることを特徴とする偏向ミラー。
【請求項８】
前記外力発生手段は、前記偏向ミラーの端部の可動電極と固定電極間で作用する静電気力であることを特徴とする請求項７記載の偏向ミラー。
【請求項９】
前記外力発生手段は、前記偏向ミラーの外周部を周回する駆動コイルと、前記駆動コイルに静磁界を与える静磁界発生手段を設け、前記駆動コイルに電流を流すことにより発生する磁気力であることを特徴とする請求項７記載の偏向ミラー。
【請求項１０】
光源と、光源からの光ビームを、梁をねじり回転軸として往復偏向させる請求項１乃至５のいずれか一つに記載のミラー基板を有する偏向ミラーと、偏向された光ビームを被走査面にスポット状に結像する結像光学系とを備えることを特徴とする光走査装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の光走査装置と、光ビームの走査により潜像を形成する感光体と、潜像をトナーで顕像化する現像手段と、トナー像を記録紙に転写する転写手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏向ミラー、光走査装置および画像形成装置に関し、例えば、電子写真方式のプリンタや複写機等の画像形成装置の書き込みユニットに好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光走査装置は、同一直線上に設けられた２本の梁で支持されたミラー基板を、ミラー基板に対向する位置に設けた電極との間の静電引力で、２本の梁をねじり回転軸として往復振動させている（例えば、非特許文献１を参照）。マイクロマシニング技術で形成されるこの光走査装置は、従来のモーターを使ったポリゴンミラーの回転による光走査装置と比較して、構造が簡単で半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低く、また単一の反射面であるため複数面による精度のばらつきがなく、さらに往復走査であるため高速化にも対応できる等の効果が期待できる。
【０００３】
このような静電駆動のねじり振動型光走査装置としては、梁をＳ字型として剛性を下げ、小さな駆動力で大きな振れ角が得られるようにしたもの（例えば、特許文献１を参照）、梁の厚さをミラー基板、フレーム基板よりも薄くしたもの（例えば、特許文献２を参照）、固定電極をミラー部の振動方向に重ならない位置に配置したもの（例えば、特許文献３、非特許文献２を参照）、また、対向電極をミラーの振れの中心位置から傾斜させて設置することで、ミラーの振れ角を変えずに駆動電圧を下げたものがある（例えば、非特許文献３を参照）。
【０００４】
従来、高速動作を必要とする機械要素において、その慣性が駆動スピードの大きな阻害要素となっている。特に、所定角度内を回転振動する機械要素では慣性モーメントを低減する必要がある。その際、駆動される機械要素の剛性を低下させないように配慮する必要がある。このような目的のため、機械要素を中空構造としたり、補強部材を固着する方法が用いられる。
【０００５】
光偏向器を用いて光走査を行うレーザービームプリンタにおいて、高機能化と小型化がなされ、偏向器も小型化が要求されてきている。これらの要求を満たす光偏向器として、マイクロマシニング技術を用いた微小ミラーを捻り振動させる構成で光を偏向する光偏向器が提案されている。
【０００６】
この種の光偏向器に用いられる微小ミラーには、高速駆動が可能なこと及び高剛性であることが要求される。微小ミラーの剛性が不足している場合、ミラーの振動に伴って発生する慣性力により大きく撓んでしまう。このような動的な撓みは、ミラーの反射光の光学特性を著しく劣化させる。一般的に、この種の動的撓みは、ミラーの厚さを厚くして、剛性を高めることにより低減される。
【０００７】
しかし、この種の光偏向器に用いられるアクチュエータの作用力は非常に小さい。動的な撓みを低減するために、ミラーの厚さを厚くすると慣性が大きくなり、上記したアクチュエータの小さな作用力では、偏向角が著しく低下してしまう。従って、偏向角を大きくするには、ミラーの慣性モーメントを小さくする必要がある。
【０００８】
そこで、振動板（ミラー基板）の厚さが外側に向かって階段的に小さくなるように設定し、慣性モーメントを低減した光偏向器が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００９】
【非特許文献１】IBM  J．Res．Develop  Vol．24（1980）
【非特許文献２】The  13th  Annual  International  Workshop  on  MEMS2000（2000）p．473-478
【非特許文献３】The  13th  Annual  International  Workshop  on  MEMS2000（2000）p．645-650
【特許文献１】特許第２９２４２００号公報
【特許文献２】特開平７−９２４０９号公報
【特許文献３】特許第３０１１１４４号公報
【特許文献４】特開２００３−１３１１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記した従来の技術でも慣性モーメントがまだ大きく、動的な撓みが十分に抑制できない。
【００１１】
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、振動板（ミラー基板）の剛性の変化を最適化することにより動的な撓みを低減し、また、振動板（ミラー基板）の慣性モーメントを低減することにより偏向角を大きくした偏向ミラー、光走査装置および画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、光源からの光ビームを、梁をねじり回転軸として往復振動させて偏向するミラー基板を有する偏向ミラーにおいて、前記ミラー基板は、回転軸からミラー基板の端部に至る各部位で、曲げ剛性が異なる複数の領域を有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のミラー基板は、回転軸周りの曲げ剛性が、回転軸からミラー基板の端部に至る各部位で異なる複数の領域を有しているので、動的な撓みを低減できる。
【００１４】
本発明のミラー基板の各領域における曲げ剛性が、少なくとも回転軸からミラー基板の端部に至る概略中間位置（ほぼ±Ｌ／３位置）で最大とすることにより、動的な撓みを低減できる。
【００１５】
本発明のミラー基板の裏側に複数の凹部を形成することにより、曲げ剛性を異ならせているので、動的な撓みを低減するための最適な曲げ剛性の配分を設定することができる。
【００１６】
本発明のミラー基板の厚さを可変にすることにより、曲げ剛性を異ならせているので、動的な撓みを低減するための最適な曲げ剛性の配分を設定することができる。
【００１７】
本発明のミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントが最大となる位置を含む領域において、曲げ剛性が最大となるようにしているので、動的な撓み量を低減できる。
【００１８】
本発明のミラー基板の各領域における断面２次モーメントと、ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントとの比が概略一定となるように設定しているので、動的な撓み量を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。図１は、従来の偏向ミラーを示す。図１において、１は基板、２は梁からなる回転軸、３は基板１に設けられたミラー基板である。ミラー基板３には、使用光に対して十分な反射率を持つ金属薄膜がミラー面として形成され、ミラー面に入射した光を偏向する。
【００２０】
ミラー基板３は、回転軸２を中心に正弦波状の回転振動をする。振動時に、ミラー基板３の振動により慣性力が作用する。この慣性力により曲げモーメントＭｘがミラー基板３の各点に作用する。図２は、ミラー基板の各点に作用する曲げモーメントを示す。図３は、曲げモーメントＭｘを計算した結果を示す。
【００２１】
図３において、曲げモーメントＭｘのピーク位置は、ミラー基板３のＹ軸方向の長さをＬとしたとき、ほぼ±Ｌ／３位置になっている。実際に、ミラー基板３を振動させて変形を測定した結果を図４に示す。
【００２２】
図４は、動的な撓みの計算結果（実線）と、実測結果（黒点）を示す。ミラー基板３は、ほぼ正弦波状に振動し、図４に示すような波形に撓む。この動的な撓みは、変形したミラー基板３の曲面から最小２乗法により理想平面を求め、この理想平面とミラー基板の局面との差を取った値で与えている。
【００２３】
最大の撓み量は、ミラー基板のＹ軸方向の長さをＬとするとき、概略Ｙ＝Ｌ／３付近で得られる。計算は、慣性力を考慮した数値計算により求めた。また、実測は、ホログラフィー法により求めた。
【００２４】
図４により、変形のピーク位置が±Ｌ／３位置にあることが分かる。これより、ミラー基板３が最も大きく変形する点は、曲げモーメントが最大になる部位であることが分かる。
【００２５】
そこで、本発明の偏向ミラーでは、ミラー基板３の振動時に作用する曲げモーメントが最大となる位置を含む領域の曲げ剛性が最大となるように設定する。
【００２６】
最大曲げモーメントをＭｍａｘ、その領域の曲げ剛性をＥＩとするとき、動的な撓み量δは、以下の式（１）で与えられる。
【００２７】
δ∝Ｍｍａｘ／ＥＩ    （１）
ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。
捻り梁から、ミラー基板３の端部における領域で、最大の曲げモーメントが加わる領域に、最大の曲げ剛性を割り当てるため、式（１）から動的撓み量を小さくできる。
【００２８】
図５は、本発明の曲げモーメントと曲げ剛性の関係を示す。図３のように求めた曲げモーメントをＹ軸方向に等分割し、各分割領域での曲げモーメントを求める。求めた階段状の曲げモーメントに基づき、ミラー基板３の対応する領域に曲げ剛性を割り当てる。割り当てられた曲げ剛性は、図５に示す曲げ剛性分布４となる。
【００２９】
図６は、本発明の原理を説明する図であり、回転軸２からミラー基板の端部に至る概略中間位置で、曲げ剛性が最大になるように設定されている。
【００３０】
すなわち、本発明では、ミラー基板３において、曲げモーメントが最大になる点±Ｌ／３を含む領域５の曲げ剛性が最大になるように、つまり、図５に示す曲げ剛性分布４となるように曲げ剛性を配置する。
【００３１】
図７は、本発明の実施例１のミラー基板を示す。実施例１では、ミラー基板３の裏側に、図５に示す曲げ剛性分布４となるように階段状の複数の領域６を配置する。なお、階段状の複数の領域６はシリコン部材で形成される。
【００３２】
図７のミラー基板３の各領域ｊにおける断面２次モーメントをＩｘｘｊとする。このとき、各領域ｊにおける断面２次モーメントは、以下の式で与えられる。
【００３３】
Ｉｘｘｊ＝ｂｈ＾３／１２
ここで、ｂはミラー基板３の領域の幅、ｈはミラー基板３の各領域の厚さである。
【００３４】
図５で求めた階段状の各領域ｊでの曲げモーメントをＭｘｊとするとき、ミラー基板３の各領域ｊでの動的な撓み量δは以下の式で与えられる。
【００３５】
δ＝ｋ・Ｍｘｊ／Ｉｘｘｊ
ここで、ｋは比例定数である。
【００３６】
実施例１では、ミラー基板３の各領域での動的な撓み量が概略等しくなるように、各領域での断面２次モーメントＩｘｘを設定する。すなわち、各領域における断面２次モーメントＩｘｘｊと、ミラー基板の振動時に作用する曲げモーメントＭｘｊとの比が概略一定となるように設定する。
【００３７】
図８は、本発明の実施例２のミラー基板を示す。実施例２では、ミラー基板３の裏側に、複数の凹部７を形成する。なお、複数の凹部７はシリコン部材で形成される。図８（ｂ）は、ミラー基板３の断面Ｂ−Ｂを示す図である。複数の凹部７は、複数のリブ８と底板部９により構成される。実施例２では、図５に示す曲げ剛性分布４となるように、各領域ｊの凹部７の大きさが異なっている。
【００３８】
ミラー基板３の各領域における断面２次モーメントをＩｘｘとする。ミラー基板３の断面Ｂ−Ｂを各長方形のリブ８に分割して断面２次モーメントを求める。底板部９は非常に薄い値に設定し、その断面２次モーメントを無視する。このとき、断面２次モーメントは、以下の式で与えられる。
Ｉｘｘ＝Σｂｈ＾３／１２
上式より、リブ８の本数を調節することにより、断面２次モーメントの数値が調整可能であることが分かる。  
図８の各領域での曲げモーメントをＭｘとするとき、ミラー基板３の各領域での動的な撓み量δは以下の式で与えられる。
【００３９】
δ＝ｋΣＭｘ／Ｉｘｘ
ミラー基板３の各領域での動的な撓み量が概略等しくなるように、各領域での断面二次モーメントＩｘｘを設定する。このように、本実施例では、各領域で、Ｍｘ／Ｉｘｘが概略一定となるため、全体の撓み量δは、ほぼ直線上に増加していく。これにより、動的な撓み量を低減できる。
【００４０】
実施例２のミラー基板の剛性分布の効果を確認するため、剛性分布に基づいた凹部を持つミラー基板と、直方体形状のミラー基板との動的な撓みを比較した。シミュレーションで求めた結果を、直方体の値を基準にして示す。
直方体ミラー基板の動的撓み量を１、慣性モーメントを１としたとき、
本発明の凹部形状ミラー基板では、動的撓み量が０．７、慣性モーメントが０．７となり、動的な撓み量が低減され、また慣性モーメントも低減された。
【００４１】
図９は、本発明が適用された第１の偏向ミラーを示す。図９において、２０はミラー基板であり、前述した実施例１、２に示す方法により、各点に曲げ剛性が設定されている。ミラー基板２０に作用させる外力は、基板２１の端部の櫛歯状可動電極２３と、櫛歯状固定電極２４間に作用する静電気力による。基板２１は、第一のＳｉ部材２５と、第二のＳｉ部材２６が、シリコン酸化膜（絶縁膜）２７を介して接合されている。第一のＳｉ部材２５に、結晶異方性エッチングにより開口部２８を形成する。第二のＳｉ部材２６に、フォトエッチング等の半導体プロセス技術によりミラー基板２０、捻り回転軸２２が形成される。第二のＳｉ部材２６は、４つの分離溝２９により、可動電極２３を有する可動部３０と、固定電極２４を有する固定部３１に分割されている。
【００４２】
ミラー基板２０には、エッチングによる加工により、ミラー部と、捻り回転軸２２が形成される。ミラー部の両端部に、櫛歯状の可動電極２３が設けられる。基板２１の固定部３１に、櫛歯状の固定電極２４が、ミラー基板２０に設けられた可動電極２３と互い違いに位置するように設けられている。可動電極と固定電極間は電気的にはコンデンサとして作用する。駆動時の消費電力は、大部分が、コンデンサの充電・放電で消費されるだけであるので、消費電力が非常に小さい。
【００４３】
図１０は、偏向ミラーの動作を説明する図である。図１０において、２０は、実施例１、２により各点に曲げ剛性が設定されているミラー基板である。３２は、外力発生手段であり、駆動パルス発生装置による駆動パルスにより、外力Ｔｒｑをミラー基板２０に作用させる。この外力Ｔｒｑは、ミラー基板２０を外力発生手段３２に引き寄せるように作用する。この外力により、ミラー基板２０は捻り回転軸２２を中心に揺動回転する。図１１は、ミラー振動波形（正弦波振動）と駆動パルスを示す。
【００４４】
図１２、１３は、本発明が適用された第２の偏向ミラーを示す。図１２は偏向ミラーの裏面、図１３は偏向ミラーの表面である。図１２、１３において、４０はミラー基板であり、実施例１、２に示される方法により、各点に曲げ剛性が設定されている。偏向ミラーの外力発生手段は、電磁力によっている。シリコン基板４２に対して揺動可能にミラー基板４０を支持する梁４１を形成する。ミラー基板４０の一方の面４３（裏面）には、実施例１，２に示される方法により、各点に曲げ剛性が設定されている。本実施例の場合は、実施例２に示される凹面が形成されている。ミラー基板４０の他方の面４６（表面）には、中央部にミラー４５が形成され、ミラー基板４０の外周部４７には通電により磁界を発生する例えば銅薄膜の駆動コイル４８を前記ミラー４５を囲むように形成する。駆動コイル４８の端部４９は、シリコン基板４２の固定部に設けた一対の電極端子５０にそれぞれ接続する。更に、静磁界を発生する一対の永久磁石４４が梁４１と軸方向と平行なミラー基板４０の対辺のコイル部分５１に静磁界が作用するように配置される。
【００４５】
図１４に示す正弦波信号を駆動コイル４８に印加する。これにより電磁トルクＴｒｑが作用する。このトルクＴｒｑにより、ミラー基板４０は回転方向に力を受けて振動する。この時のミラー４５の共振周波数ｆ０と振動振幅（振れ角）θは以下の式で与えられる。
【００４６】
ｆ０＝（１／２π）√（Ｋθ／Ｉ）  （２）
θ＝Ｔｒｑ／Ｉ＊Ｋ（ｆ０，Ｃ）    （３）
但し、Ｋ（ｆ０、Ｃ）は、共振周波数ｆ０、粘性抵抗Ｃの関数であり、ｆ０、Ｃに反比例する。
ここで、Ｋθは捻りバネ定数、Ｔｒｑはコイルに作用する電磁トルク、Ｉはミラー慣性モーメント、Ｃは粘性抵抗係数である。
磁気力によるＴｒｑは比較的大きいので、（３）式より、大きい振れ角が得られる。
【００４７】
図１５は、本発明が適用された光走査装置を示す。図１５において、６０は半導体レーザー光源からなる光源である。この光源６０からの光ビームは、コリメートレンズ６１により概略平行光に光ビームが整形される。この光ビームは、折り返しミラー６２によりミラー基板６３のミラー面６４に入射する。ミラー基板６３は、外力発生手段６５による外力がミラー基板６３に作用している。そのため、梁６６をねじり回転軸として往復振動している。この揺動ミラー基板６３に入射した光ビームは、ミラー６４により偏向されて、ｆθレンズ等の補正光学系６７に入射する。補正光学系６７から出射した光ビームは被走査面６８にスポット状に結像する。上記ミラー基板６３は、実施例１、２で説明した特徴を有する。本実施例のミラー基板６４には、実施例２に示される凹面が形成されている。上記したミラー基板が、実施例１、２の方法により動的な撓みを低減するように構成されているので、本発明の光走査装置においては、被走査面に結像するビームのビーム径等の光学特性を向上させることができる。
【００４８】
図１６は、本発明が適用された画像形成装置を示す。図１６（ａ）は主走査方向の構成を示し、（ｂ）はその側面の構成を示す。光走査装置からなる光書き込み手段７０は、複数個の光走査装置７１を主走査方向に配置して構成されている。書き込み幅に対して、複数個の光走査装置７１により書き込みを行う。７２は半導体レーザーであり、図示しない画像信号生成装置による画像信号に基づき発光する。レーザー光７３は光走査装置７１に入射する。光走査装置のミラーにより偏向された反射レーザー光７４は感光体７５に静電潜像を形成する。現像定着手段７６により、感光体に形成された静電潜像は、被記録体搬送手段７７により給送される記録紙にトナー像を生成する。
【００４９】
光走査装置からなる光書き込み手段は複数個の光走査装置７１を主走査方向に配置して構成されている。レーザープリンタにおいて、一般的に用いられている光走査装置はポリゴンスキャナーである。本発明の光走査装置からなる光書き込み手段は、ポリゴンスキャナーに比較して、部品数が非常に少ないので、ローコスト化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来の偏向ミラーを示す。
【図２】ミラー基板の各点に作用する曲げモーメントを示す。
【図３】曲げモーメントＭｘを計算した結果を示す。
【図４】動的な撓みの計算結果（実線）と、実測結果（黒点）を示す。
【図５】本発明の曲げモーメントと曲げ剛性の関係を示す。
【図６】本発明の原理を説明する図である。
【図７】本発明の実施例１のミラー基板を示す。
【図８】本発明の実施例２のミラー基板を示す。
【図９】本発明が適用された第１の偏向ミラーを示す。
【図１０】第１の偏向ミラーの動作を説明する図である。
【図１１】ミラー振動波形と駆動パルスを示す。
【図１２】本発明が適用された第２の偏向ミラー（裏面）を示す。
【図１３】本発明が適用された第２の偏向ミラー（表面）を示す。
【図１４】駆動コイルに印加する正弦波信号を示す。
【図１５】本発明が適用された光走査装置を示す。
【図１６】本発明が適用された画像形成装置を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１  基板
２  回転軸
３  ミラー基板
４  曲げ剛性分布
５  領域
６  階段状の領域
７  凹部
８  リブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005300927.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005300927.tif 000011
【図１０】
2005300927.tif 000012
【図１１】
2005300927.tif 000013
【図１２】
2005300927.tif 000014
【図１３】
2005300927.tif 000015
【図１４】
2005300927.tif 000016
【図１５】
2005300927.tif 000017
【図１６】
2005300927.tif 000018